Teleskop Webba odkrył supermasywną czarną dziurę, która powstała przed swoją galaktyką
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba odkrył supermasywną czarną dziurę, która mogła powstać przed swoją galaktyką. Astronomowie uważają, że obiekt istniejący już 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu może być jednym z pierwszych bezpośrednich dowodów na to, że ogromne czarne dziury pojawiały się we Wszechświecie wcześniej niż otaczające je galaktyki.
Czarna dziura mogła powstać przed swoją galaktyką
Astronomowie od dawna zastanawiali się, co mogło powstać pierwsze – galaktyki czy czarne dziury. Do tej pory zakładali, że mogły to być galaktyki, a dopiero z obecnych w nich dużych gwiazd, które zużyły swoje paliwo i zapadały się, mogły powstawać czarne dziury, które pochłaniały otaczającą materię i z czasem łączyły się, tworząc bardziej masywne obiekty.
Naukowcy jednak nie wiedzą, jak czarne dziury o masie od milionów do miliardów razy większej od masy Słońca, których tysiące wykryto już we wczesnym Wszechświecie, mogły urosnąć tak szybko z tak małych zalążków.
W ramach nowego badania naukowcy pod kierownictwem Roberto Maiolino z University of Cambridge, wykorzystując należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, wykryli wyraźne dowody na to, że niektóre supermasywne czarne dziury były ogromne od samego początku, powstając bez etapu zapadania się gwiazd i bez znacznie masywniejszej galaktyki macierzystej, która mogłaby je zasilać materiałem. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society”.
Teleskop Webba zbadał obiekt z początków Wszechświata
Astronomowie oparli swoje wnioski na szczegółowych obserwacjach Abell2744-QSO1 (QSO1) – obiektu należącego do klasy znanej jako Małe Czerwone Kropki (Little Red Dots), istniejącego zaledwie 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Choć QSO1 ma zaledwie 1300 lat świetlnych średnicy, a jego światło podróżowało do okolic Ziemi przez ponad 13 miliardów lat, obiekt był łatwiejszy do zbadania niż większość innych Małych Czerwonych Kropek, ponieważ był soczewkowany grawitacyjnie przez gromadę galaktyk Abell 2744 (Gromadę Pandora).
Początkowe badania obiektu wskazywały, że może być on obłokiem świecącego wodoru i helu krążącego wokół supermasywnej czarnej dziury o szacowanej masie 40 milionów razy większej od masy Słońca. Jednak podobnie jak w przypadku innych wczesnych czarnych dziur odkrytych przez Teleskop Webba, istniała niepewność co do tego, czy rzeczywiście jest ona aż tak masywna.
„Do tej pory wszystkie pomiary mas czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie były pośrednie i opierały się na założeniach wynikających z tego, co wiemy o nich w lokalnym Wszechświecie. Nie wiedzieliśmy, czy te założenia rzeczywiście mają zastosowanie do odległego kosmosu” – mówi Francesco D’Eugenio z University of Cambridge.
Naukowcy uznali, że jeśli czarna dziura w QSO1 jest tak masywna, jak się wydaje, powinni być w stanie wykorzystać instrumenty Teleskopu Webba do prześledzenia wpływu jej grawitacji na gaz wirujący wokół niej, a także do zmapowania rozmieszczenia różnych pierwiastków w tym gazie. Badacze wykorzystali te obserwacje do poznania ruchu wodoru otaczającego czarną dziurę. Gdy przedstawili prędkość obrotową jako funkcję odległości od centrum, odkryli, że gaz porusza się zgodnie z ruchem keplerowskim – krąży wokół centralnego punktu w taki sam sposób, w jaki planety w Układzie Słonecznym orbitują wokół Słońca.
„To ważne, ponieważ pokazuje, że większość masy QSO1 jest skoncentrowana w czarnej dziurze znajdującej się w centrum. Gdyby masa była bardziej rozproszona, jak miałoby to miejsce w przypadku dużej liczby gwiazd, gaz nie wykazywałby tak idealnego ruchu keplerowskiego” – tłumaczy Ignas Juodžbalis z University of Florence.
Ponieważ ruch keplerowski jest opisywany prostymi prawami grawitacji, astronomowie byli w stanie wykorzystać pomiary prędkości gazu do bezpośredniego obliczenia masy czarnej dziury – czego wcześniej nie udało się zrobić.
Tajemnicze czarne dziury z początków Wszechświata
Jak opisują naukowcy, okazało się, że czarna dziura była nie tylko ogromna – miała około 50 milionów mas Słońca – ale stanowiła co najmniej zdumiewające dwie trzecie całkowitej masy QSO1. Taka proporcja jest tysiące razy większa niż w pobliskich galaktykach, gdzie supermasywne czarne dziury stanowią jedynie niewielki ułamek całkowitej masy swojej galaktyki macierzystej.
Mapy składu wykonane za pomocą Teleskopu Webba potwierdziły te wyniki, pokazując, że gaz w całym Abell2744-QSO1 składa się niemal wyłącznie z wodoru i helu, z bardzo niewielką ilością cięższych pierwiastków, takich jak tlen, których należałoby oczekiwać w galaktyce bogatej w gwiazdy i pozostałości po nich. Zdaniem badaczy QSO1 jest jednym z najbardziej pierwotnych środowisk galaktycznych, jakie kiedykolwiek zmierzono.
„To pierwszy bezpośredni pomiar masy czarnej dziury istniejącej w ciągu pierwszego miliarda lat po Wielkim Wybuchu i jest on zgodny z wcześniejszymi pomiarami. Uważamy, że to dobry znak wskazujący, iż założenia wykorzystywane w pośrednich pomiarach mas są poprawne, a masy innych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie nie zostały przeszacowane” – zaznacza Roberto Maiolino.
Ogromna masa QSO1 w stosunku do jego galaktyki macierzystej sugeruje, że nie mogła ona powstać stopniowo z dużo mniejszych czarnych dziur o masie gwiazdowej, które łączyłyby się i pochłaniały materię.
„Wygląda na to, że znaleźliśmy czarną dziurę, która nie ma znaczącej galaktyki macierzystej i wyprzedziła procesy gwiazdotwórcze. Stanowi to dowód na istnienie pierwotnych czarnych dziur lub czarnych dziur powstałych w wyniku bezpośredniego zapadania się materii, które były dotąd jedynie teorią” – podkreśla Ignas Juodžbalis.
Jak wskazują astronomowie, QSO1 niemal na pewno narodziła się już jako ogromny obiekt i może znajdować się na wczesnym etapie budowania wokół siebie galaktyki. Naukowcy uważają, że Małe Czerwone Kropki podobne do QSO1 nie mogły być rzadkością we wczesnym Wszechświecie i planują zbadać podobne obiekty, aby ustalić, czy supermasywne czarne dziury rzeczywiście mogły powstać przed galaktykami, które zamieszkują.
Emil Gołoś
